UMA ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO DE ANTENAS DIRECIONAIS E MÚLTIPLOS CAMINHOS EM REDES AD HOC SEM FIO. Natanael Delgado de Freitas

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1 UMA ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO DE ANTENAS DIRECIONAIS E MÚLTIPLOS CAMINHOS EM REDES AD HOC SEM FIO Natanael Delgado de Freitas DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA ELÉTRICA. Aprovada por: Prof. Luís Henrique Maciel Kosmalski Costa, Dr. Prof. Aloysio de Castro Pinto Pedroza, Dr. Prof. Marcelo Gonçalves Rubinstein, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARÇO DE 2008

2 FREITAS, NATANAEL DELGADO DE Uma Análise da Utilização de Antenas Direcionais e Múltiplos Caminhos em Redes Ad Hoc Sem Fio [Rio de Janeiro] 2008 XVII, 94 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Elétrica, 2008) Dissertação - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Antenas Direcionais 2. Múltiplos Caminhos Disjuntos 3. Redes Ad Hoc sem fio I. COPPE/UFRJ II. Título (série) ii

3 iii Aos meus filhos, André e Clara.

4 Agradecimentos A Deus, razão de meu viver. À minha esposa, Chiara, e aos meus filhos, André e Clara, por todo amor, carinho, incentivo e compreensão prestados enquanto me dediquei a este trabalho. Aos meus pais, Clodoaldo e Maria Leonor, pelo amor incondicional e por todo esforço e dedicação ao longo da vida, sempre incentivando a educação dos filhos. Aos meus irmãos, Clodoaldo, Cláudio, Ney, Corina e Neilson, pelo amor e apoio ao longo da minha vida. Ao meu orientador Luís Henrique pela amizade, confiança, objetividade, paciência e orientação segura, além de sempre estar presente, para aconselhar e ajudar a superar todos os obstáculos desta jornada. Aos professores do GTA, Otto Carlos, Aloysio, José Rezende e Leão, pela amizade, por toda a ajuda e pelos ensinamentos de como se deve aprender. Ao amigo Miguel Elias pela amizade, sugestões, comentários úteis e idéias construtivas. À equipe do GTA, em particular aos amigos, Danilo, Kleber, Sávio, André Sion, Rodrigo, Carina, Reinaldo, Igor, Natalia, Marcel e Carlos Henrique, pela amizade e cooperação durante o percurso até a dissertação. Aos professores Aloysio e Marcelo Rubinstein pela presença na banca examinadora. Ao Capitão-de-Corveta (EN) Italo Ramella, pela amizade, sempre incentivando e acreditando que meu objetivo seria alcançado. À Marinha do Brasil pela liberação em tempo integral para o desenvolvimento deste trabalho e pelo estímulo ao constante aperfeiçoamento de seus profissionais. iv

5 Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) UMA ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO DE ANTENAS DIRECIONAIS E MÚLTIPLOS CAMINHOS EM REDES AD HOC SEM FIO Natanael Delgado de Freitas Março/2008 Orientador: Programa: Luís Henrique Maciel Kosmalski Costa Engenharia Elétrica Atualmente, o número de aplicações de redes ad hoc está crescendo. Essas redes também originaram outras tecnologias, tais como as redes em malha sem fio e as redes veiculares. Redes ad hoc têm custo baixo e são auto-configuráveis. As redes ad hoc têm sido tipicamente aplicadas em ambientes militares e de desastres. Navios de guerra, tanques, aeronaves ou combatentes individuais podem ser nós de redes táticas para uso militar em ambientes hostis. A maioria dos protocolos existentes de acesso ao meio para redes ad hoc, incluindo o IEEE , assumem a utilização de antenas omnidirecionais por todos os nós. Usando a transmissão omnidirecional, o desempenho da rede é limitado. A utilização de roteamento de caminho único ocorre na maioria dos protocolos de roteamento ad hoc. O desempenho da rede também é limitado pelo uso de roteamento de caminho único. Este trabalho analisa algoritmos de roteamento que exploram o uso de antenas direcionais e que constroem múltiplos caminhos. Ambas as técnicas privilegiam o reuso espacial e a distribuição do tráfego na rede. Neste trabalho, é definida uma métrica que reflete a utilização de cada um dos nós da rede como nó intermediário de múltiplas rotas disjuntas. Os resultados obtidos mostram melhoria significativa na distribuição do tráfego nestas redes e também comparam algoritmos de roteamento disjuntos por zona com algoritmos de roteamento disjuntos por nó, em diferentes cenários, mostrando suas vantagens e desvantagens. v

6 Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) AN ANALYSIS OF THE USE OF DIRECTIONAL ANTENNAS AND MULTIPLE PATHS IN WIRELESS AD HOC NETWORKS Natanael Delgado de Freitas March/2008 Advisor: Department: Luís Henrique Maciel Kosmalski Costa Electrical Engineering Currently, the number of applications of ad hoc networks is increasing. Many technologies have arisen from these networks, such as wireless mesh networks and vehicular wireless ad hoc networks. Ad hoc networks have low cost and are self-configuring. Ad hoc networks have been applied typically in military and disaster environments. Warships, tanks, airplane or individual combatants can be nodes of the tactical networks for military use on hostile environments. Most of the existent medium access control protocols on wireless ad hoc networks, including IEEE , assume the use of omnidirectional antennas for all nodes. Using omnidirectional transmission, the network performance is limited. Most of the routing protocols use single path routing. Using single path routing, the network performance also is limited. This work analyzes routing algorithms that explore the use of directional antennas along with multiple paths. Both techniques privilege the spatial reuse and the distribution of traffic in the network. This work defines a metric that reflects the use of each node of the network as a relay node in multiple disjoint paths. The results show a considerable improvement in the distribution of the traffic in these networks. Furthermore, this work compares zone disjoint routing algorithms with node disjoint routing algorithms in different scenarios, showing their advantage and disadvantage. vi

7 Sumário Resumo v Abstract vi Lista de figuras x Lista de tabelas xiv Lista de acrônimos xv 1 Introdução Motivação Trabalhos relacionados Objetivo Organização Antenas Antenas omnidirecionais Protocolos da camada de controle de acesso ao meio Protocolos de roteamento vii

8 2.1.3 Produtos Antenas direcionais Sistemas de antenas direcionais Sistemas de antenas direcionais de feixe comutado Sistemas de antena direcional de feixe direcionado Vantagens da utilização de antenas direcionais Desafios na utilização de antenas direcionais Protocolos da camada de controle de acesso ao meio Protocolos de roteamento Produtos Múltiplos caminhos disjuntos Disjunção por nó Exemplos de algoritmos disjuntos por nó Disjunção parcial por zona Exemplo de algoritmo disjunto por zona Disjunção por zona Simulador O Simulador implementado Algoritmos usando múltiplas rotas disjuntas por nó Algoritmos de rotas disjuntas por zona Simulações 53 viii

9 5.1 Resultados Análise para um cenário em grade Análise para um cenário com distribuição aleatória dos nós Uma otimização Conclusões 75 Referências Bibliográficas 79 A Nós intermediários mais e menos utilizados no cenário em grade 91 ix

10 Lista de Figuras 1.1 Exemplo de uso militar de antena omnidirecional em rede sem fio Exemplo de uso militar de antena direcional em rede sem fio Exemplo de padrão de radiação tridimensional de antena isotrópica Exemplo da largura de feixe de antena direcional Exemplo de padrão de radiação tridimensional de antena omnidirecional Exemplo de padrão de radiação bidimensional de antena omnidirecional Exemplo de produtos que utilizam antena omnidirecional Exemplo de padrão de radiação tridimensional de antena direcional Exemplo de padrão de radiação bidimensional de antena direcional Exemplo de padrão de radiação cone e esfera de antena direcional Exemplo de padrão de radiação idealizado de antena direcional Exemplo de sistema de antenas direcionais de feixe comutado realístico Exemplo de mudança de direção do feixe por tipo de sistema de antena direcional Exemplo de reuso espacial Exemplo de aumento do alcance de transmissão Localização de vizinhos com antenas direcionais x

11 2.15 Terminal escondido devido não perceber RTS e CTS Terminal escondido devido ganho assimétrico Surdez Comunicação em linha com antena direcional Exemplo de utilização de sistema de antenas direcionais de feixe comutado Exemplo de sistema de antena direcional de feixe direcionado vendido comercialmente Exemplo de utilização de sistema de antena direcional de feixe direcionado vendido comercialmente Exemplo de sistema de antena direcional de feixe direcionado utilizado em plataformas de testes Exemplo de rotas disjuntas por nó Exemplo de rotas parcialmente disjuntas por zona Exemplo de rotas disjuntas por zona Exemplo de sistema de antenas direcionais de feixe comutado utilizado Exemplo de vizinhos de 1 salto Exemplo de critério de desempate no segundo salto durante a formação de rota disjunta por nó Exemplo de critério de desempate entre duas rotas durante a formação de rota disjunta por nó Exemplo de rotas disjuntas por nó Exemplo de rotas disjuntas por zona em um cenário em grade Exemplo de área iluminada por rotas disjuntas por zona em um cenário em grade xi

12 5.1 Exemplo de cenário em grade com 10 nós por linha e 10 nós por coluna Utilização como nó intermediário no cenário em grade com 36 nós Utilização como nó intermediário no cenário em grade com 81 nós Utilização como nó intermediário no cenário em grade com 169 nós Valor médio da utilização como nó intermediário no cenário em grade utilizando antenas omnidirecionais Valor médio da utilização como nó intermediário no cenário em grade utilizando sistemas de antenas direcionais de feixe largo Valor médio da utilização como nó intermediário no cenário em grade utilizando sistemas de antenas direcionais de feixe estreito Exemplo de cenário com distribuição aleatória com 36 nós Utilização em cenário com distribuição aleatória com 36 nós Utilização em cenário com distribuição aleatória com 81 nós Utilização em cenário com distribuição aleatória com 169 nós Valor médio da utilização como nó intermediário no cenário com distribuição aleatória dos nós utilizando antena omnidirecional Valor médio da utilização como nó intermediário no cenário com distribuição aleatória dos nós utilizando sistemas de antenas direcionais de feixe largo Valor médio da utilização como nó intermediário no cenário com distribuição aleatória dos nós utilizando sistemas de antenas direcionais de feixe estreito Rotas inalcançáveis em cenário com distribuição aleatória dos nós Valor médio otimizado da utilização como nó intermediário no cenário com distribuição aleatória dos nós utilizando antenas omnidirecionais xii

13 5.17 Valor médio otimizado da utilização como nó intermediário no cenário com distribuição aleatória dos nós utilizando sistemas de antenas direcionais de feixe largo com 2 feixes A.1 Nós intermediários mais e menos utilizados no cenário em grade com 36 nós A.2 Nós intermediários mais e menos utilizados no cenário em grade com 81 nós A.3 Nós intermediários mais e menos utilizados no cenário em grade com 169 nós xiii

14 Lista de Tabelas 4.1 Alcance de recepção por tipo de sistema de antenas xiv

15 Lista de Acrônimos AA : ACK : ACR : ANL : AODV : CSMA : CTS : DBTMA : D-Listen : DMAC-DACA : DNT : DoA : DOD : DPA : DRP : DRT : DSDV : DSR : DV : EDNAV : ESPAR : FAMA : Adaptive Array; Acknowledgment; Adaptive Communication-Aware Routing Protocols Using Maximally Zone-Disjoint Shortest Paths; Active Node List; Ad Hoc On-Demand Distance Vector; Carrier Sense Multiple Access; Clear To Send; Dual Busy Tone Multiple Access; Directional listen; Directional MAC with Deafness Avoidance and Collision Avoidance; Deaf Neighbors Table; Direction of Arrival; Diametrically Opposite Directional; Dynamic Phased Array; Directional Routing Protocol; Directional Routing Table; Destination-Sequenced Distance-Vector; Dynamic Source Routing; Deafness Vector; Enhanced Directional Network Allocation Vector; Electronically Steerable Passive Array Radiator; Floor Acquisition Multiple Access; xv

16 FD : Sistema de antena direcional de feixe direcionado; FFZ : Fixed Forbidden Zone; FSR : Fisheye State Routing; GLST : Global Link-State Table; GLS : Geographical Location Service; GPS : Global Positioning System; HSLS : Hazy Sighted Link-States; HRMA : Hop Reservation Multiple Access; IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers; IMU : Inertial Management Unit; LMA : Location and Mobility Aware MAC; MAC : Medium Access Control; MACA : Multiple Access with Collision Avoidance; MACAW : MACA for Wireless LANs; MDA : MAC Protocol for Directional Antenna; MPR : Multipoint relays; ND : Algoritmo de roteamento usando múltiplos caminhos disjuntos por nó; NDD : Algoritmo de roteamento usando múltiplos caminhos disjuntos por nó e sistemas de antenas direcionais; NDO : Algoritmo de roteamento usando múltiplos caminhos disjuntos por nó e antenas omnidirecionais; OLSR : Optimized Link State Routing; PDS : Processador Digital de Sinais; RERR : Route Error; RI-BTMA : Receiver-Initiated Busy-Tone Multiple Access; RREQ : Route Request; RREP : Route Reply; RTS : Request To Send; SB : Switched Beam Antenna System ; SFZ : Shifted Forbidden Zone; xvi

17 SPF : SPF-MP : ToneDMAC : UDAAN : USB : ZD : ZDD : ZDO : Shortest Path First; Shortest Path First - Multi-Path; Tone-Based Directional MAC; Utilizing Directional Antennas for Ad Hoc Networking; Universal Serial Bus; Algoritmo de roteamento usando múltiplos caminhos disjuntos por zona; Algoritmo de roteamento usando múltiplos caminhos disjuntos por zona e sistemas de antenas direcionais; Algoritmo de roteamento usando múltiplos caminhos disjuntos por zona e antenas omnidirecionais. xvii

18 Capítulo 1 Introdução AUTILIZAÇÃO de redes ad hoc tem crescido bastante nos últimos anos, possuindo atualmente aplicações tão diferenciadas como redes em malha sem fio [1, 2, 3, 4] e redes veiculares [5, 6]. Redes ad hoc sem fio são definidas por Rubinstein et al. [7] como uma coleção de nós sem fio que podem auto-organizar-se dinamicamente em uma topologia temporária e arbitrária para formar uma rede sem necessariamente usar qualquer infra-estrutura preexistente. A comunicação entre cada um desses nós com qualquer um dos outros pode ocorrer diretamente ou por meio de nós intermediários, no caso dos nós não estarem diretamente conectados [8]. O custo das redes ad hoc é reduzido e a implementação e a reconfiguração destas redes são rápidas e fáceis devido à ausência de infra-estruturada cabeada [9]. Essas redes são robustas, podendo operar em ambientes de guerra e em locais afetados por desastres naturais [10]. Cada um dos nós dessas redes funciona como um roteador e dispõe de um transceptor e de uma antena ou sistema de antenas [11]. Uma rede ad hoc sem fio pode ser construída para uso tático em aplicações militares. Os nós, elementos dessa rede tática militar, podem ser meios de combates tripulados ou não. Podem ser veículos aéreos ou terrestres, meios navais ou combatentes individuais portando dispositivos portáteis, que podem ser transportados na mão, ou portáveis, que são transportados normalmente nas costas [12]. Experimentos de campo foram anteriormente realizados utilizando redes sem fio em ambiente militar hostil [13, 14]. As 1

19 Figuras e ilustram o uso militar pelas Forças Armadas dos Estados Unidos da América de redes sem fio em ambiente hostil na região do oceano Pacífico. Na Figura 1.1, Figura 1.1: Exemplo de uso militar de antena omnidirecional em rede sem fio. o nó da rede sem fio é um veículo aéreo não tripulado com uma carga útil instalada que utiliza antenas omnidirecionais. Na Figura 1.2 o nó utiliza antenas direcionais. Dentre os principais cenários de aplicação das redes ad hoc estão as operações militares em campos de batalha e as redes de salvamento em caso de catástrofes [15, 16]. Ainda persistem desafios no aproveitamento das características das redes ad hoc. Dentre esses desafios está a necessidade de melhor aproveitar a banda passante disponível e o espectro de freqüências, que são limitados. Portanto, o reaproveitamento espacial é importante, e para melhorá-lo são necessários algoritmos de controle de acesso ao meio e de roteamento mais sofisticados, bem como é necessária a utilização de sistemas de antenas direcionais que permitam aumentar o reuso espacial. Figura 1.2: Exemplo de uso militar de antena direcional em rede sem fio. 1 Reprodução de [14]. 2 Reprodução de [14]. 2

20 1.1 Motivação A maioria dos protocolos existentes de controle de acesso ao meio (Medium Access Control - MAC) para redes ad hoc, incluindo o IEEE [17], assumem a utilização de antenas omnidirecionais por todos os nós [18]. Usando a transmissão omnidirecional, o desempenho da rede é limitado [19]. Devido à radiação omnidirecional, há distribuição de energia em todas as direções de um plano, incluindo direções diferentes da direção que se deseja transmitir [20] e, portanto, não há um adequado reuso espacial, ocorrendo desperdício de energia em direções diferentes da desejada [9]. São geradas interferências em outros nós e não é aproveitada toda a capacidade agregada da rede [21]. Com a utilização de transmissão direcional, o feixe de transmissão é mais estreito, aumentando o alcance de transmissão e o reuso espacial [22] devido à concentração de energia na direção da transmissão [23]. Além disso, há redução na interferência [24], melhorando a relação sinal-ruído e a capacidade agregada da rede [25]. Outra forma de aumentar a capacidade de uma rede ad hoc é a utilização de múltiplos caminhos ou de múltiplas rotas. A maioria dos protocolos de roteamento ad hoc utiliza roteamento de caminho único [26]. A utilização de roteamento com múltiplos caminhos entre um nó origem e um nó destino melhora o desempenho da rede devido ao balanceamento de tráfego entre os vários caminhos escolhidos [27]. Assim, o efeito das perdas de enlaces é reduzido e pode ocorrer diminuição no congestionamento da rede e no atraso fim-a-fim [26]. Entretanto, não basta ter múltiplos caminhos. O ideal é que os múltiplos caminhos compartilhem o mínimo de recursos - nós e enlaces, ou esses caminhos não serão tão vantajosos. O problema de obter bons algoritmos que tentem encontrar caminhos maximamente disjuntos encontra-se em aberto. No caso de redes sem fio, o problema é mais interessante pois, além da noção de nó e de enlaces, como os enlaces são de rádio, há o problema da interferência - que em última instância faz com que um caminho reduza a capacidade do outro. Nesse contexto, utilizar antenas direcionais pode reduzir a interferência entre caminhos, porém, devem ser criados algoritmos que construam múltiplos caminhos específicos para antenas direcionais. O objetivo desta dissertação é analisar os dois tipos principais de algoritmos que usam múltiplos caminhos e sistemas de antenas 3

21 direcionais nesse contexto. 1.2 Trabalhos relacionados Protocolos de roteamento que constroem múltiplos caminhos geram múltiplas rotas entre um nó origem e um nó destino, podendo ocorrer nós intermediários em comum entre rotas. Caso o protocolo de roteamento não tenha nós intermediários em comum, ele é dito protocolo que usa múltiplos caminhos disjuntos por nó. Além disso, caso o protocolo utilize rotas que não tenham interferência entre si, ele é dito disjunto por zona. O emprego de protocolos de roteamento que combinam múltiplos caminhos disjuntos por nó e sistemas de antenas direcionais melhora o desempenho total da rede porque melhora a capacidade agregada da rede. Entretanto, podem existir interferências entre os caminhos disjuntos por nó, reduzindo a capacidade total obtida. Alguns algoritmos que utilizam caminhos disjuntos por nó tentam minimizar o efeito das interferências, entretanto não eliminam esse efeito completamente [28]. Outros tipos de algoritmos, os que constroem múltiplos caminhos parcialmente disjuntos por zona e utilizam sistemas de antenas direcionais, solucionam em parte o problema de interferência entre caminhos disjuntos [29]. Entretanto, esse problema não é totalmente solucionado pois ainda podem ocorrer interferências entre as rotas. Os algoritmos de roteamento que usam múltiplos caminhos disjuntos por zona e sistemas de antenas direcionais, não permitem interferência entre caminhos disjuntos e aproveitam melhor as vantagens dos sistemas de antenas direcionais e de múltiplos caminhos, embora o tempo total de processamento seja maior devido à necessidade de calcular se os feixes de transmissão de outras rotas disjuntas por zona interferem na comunicação de dados de uma outra rota disjunta por zona. Uma análise de algoritmo de roteamento que utiliza múltiplos caminhos disjuntos por nó e de algoritmo de roteamento que utiliza múltiplos caminhos parcialmente disjuntos por zona foi realizada por Roy et al. [27]. Entretanto, essa análise foi muito limitada pois foram analisados somente alguns pares de rotas parcialmente disjuntas por zona ou 4

22 disjuntas por zona, em nós que utilizam antena direcional com seis feixes, comparando esses pares com rotas disjuntas por nó nos mesmos nós, utilizando antenas omnidirecionais, em uma configuração de cenário, quantidade máxima de saltos e escolha dos pares de nós deveras restritiva. Nesta dissertação, é realizada uma análise mais ampla, quando comparamos os diferentes tipos de algoritmos entre si em diferentes cenários e diferentes configurações de feixes de antenas. 1.3 Objetivo O objetivo deste trabalho é analisar algoritmos de roteamento que usam múltiplos caminhos disjuntos por nó e algoritmos de roteamento que usam múltiplos caminhos disjuntos por zona. Diferentemente dos trabalhos anteriores [28, 29] que propõem algoritmos de roteamento que usam múltiplos caminhos disjuntos por nó ou disjuntos por zona e de trabalhos que realizam análises limitadas [27], este trabalho implementa um novo simulador visando comparar um algoritmo de roteamento usando múltiplos caminhos disjuntos por nó e sistemas de antenas direcionais (NDD), um algoritmo de roteamento usando múltiplos caminhos disjuntos por zona e sistemas de antenas direcionais (ZDD), um algoritmo de roteamento usando múltiplos caminhos disjuntos por nó e antenas omnidirecionais (NDO) e um algoritmo de roteamento usando múltiplos caminhos disjuntos por zona e antenas omnidirecionais (ZDO) entre si em diferentes cenários e diferentes configurações de feixes de antenas. Nos algoritmos NDO e NDD as múltiplas rotas disjuntas obtidas são disjuntas por nó, logo não há nós intermediários em comum, excetuando-se o nó origem e o nó destino dessas rotas. Nos algoritmos ZDO e ZDD as múltiplas rotas disjuntas obtidas são disjuntas por zona, logo não há nós intermediários em comum, excetuando-se o nó origem e o nó destino dessas rotas, e os nós intermediários de uma rota não podem ser iluminados por feixes de transmissão em uso pelos nós intermediários de outra rota disjunta por zona. Nos algoritmos NDO e ZDO todos os nós utilizam antenas omnidirecionais. Nos algoritmos NDD e ZDD todos os nós utilizam sistemas de antenas direcionais com a mesma quantidade de feixes. A análise comprova a vantagem do emprego de algoritmo ZDD em comparação ao algoritmo NDD [30], embora o tempo total de processamento do algoritmo ZDD seja maior. Além disso, é comprovado que os algoritmos 5

23 ZDD e NDD têm melhor desempenho em um cenário com distribuição aleatória de nós do que no cenário em grade comumente usado em análise de redes ad hoc com antenas direcionais [31, 32, 33, 34, 35, 36]. Nos cenários avaliados foi verificado também que a utilização de sistemas de antenas direcionais melhora o desempenho da rede, sendo obtidos melhores resultados nos algoritmos ZDD e NDD em comparação com os algoritmos ZDO e NDO [30]. 1.4 Organização Este trabalho está organizado da seguinte forma. No Capítulo 2 são apresentadas características de antenas, em particular características físicas de antenas omnidirecionais e de antenas direcionais. São apresentados também protocolos das camada de controle de acesso ao meio e de roteamento que utilizam antenas omnidirecionais ou sistemas de antenas direcionais. Em seguida, no Capítulo 3, os algoritmos de roteamento que visam a melhoria do balanceamento de rotas e do reuso espacial, com a utilização de múltiplos caminhos e antenas direcionais, são abordados. O estado da arte em algoritmos de roteamento que constroem múltiplas rotas com sistemas de antenas direcionais é analisado, destacando os algoritmos que utilizam disjunção por nó ou disjunção por zona. O simulador implementado neste trabalho é apresentado no Capítulo 4. Tanto o algoritmo de rotas disjuntas por nó quanto o algoritmo de rotas disjuntas por zona são apresentados nesse capítulo. No Capítulo 5 são analisados os resultados de simulações. Por fim, no Capítulo 6 são apresentadas as conclusões sobre este trabalho e a direção dos trabalhos futuros. 6

24 Capítulo 2 Antenas OCRESCIMENTO da utilização de redes ad hoc sem fio tem estimulado a pesquisa de maneiras diversas para melhorar o desempenho dessas redes. Um modo de aumentar a vazão agregada dessas redes, que a cada dia têm mais usuários, é empregar sistemas de antenas direcionais que podem permitir o aumento dessa vazão ao proporcionar um maior reuso espacial. Nos últimos anos, o estudo do uso de diversos tipos desses sistemas de antenas tem aumentado. Portanto, é necessário conhecer algumas características das antenas e de seus sistemas. As Definições Padrões IEEE de Termos para Antenas [37] definem uma antena como parte de um sistema transmissor ou receptor que é projetado para irradiar ou receber ondas eletromagnéticas. A energia eletromagnética é acoplada de um meio para outro através da antena [38, 39]. Uma antena é um dispositivo recíproco, linear e passivo. Devido a essa característica de reciprocidade, quando uma antena é utilizada para transmissão, assume-se implicitamente seu uso para recepção, a menos que seja especificado o contrário [40]. O padrão de radiação é a distribuição espacial de uma quantidade que caracteriza o campo eletromagnético gerado por uma antena [37]. Essa distribuição espacial pode ser expressa por meio de uma função matemática ou de uma representação gráfica [41]. Uma antena hipotética de baixa perda é definida como isotrópica quando ela irradia 7

25 com intensidade igual em todas as direções [42, 43, 44, 45]. O padrão de radiação dessa antena é esférico [46]. A Figura ilustra esse padrão de radiação, onde a antena isotrópica é representada por um ponto no centro da esfera e tem alcance de transmissão r. Esse tipo de antena ideal é utilizado somente para propósitos analíticos [48]. Figura 2.1: Exemplo de padrão de radiação tridimensional de antena isotrópica. Um feixe é definido como o lóbulo principal do padrão de radiação de uma antena [37]. A largura do feixe, também denominada largura do feixe de meia potência, é definida como o ângulo entre as duas direções nas quais a intensidade de radiação é metade do valor máximo [47]. A Figura ilustra o lóbulo principal e a largura de feixe α de uma antena direcional em um padrão de radiação plotado em potência, na escala de watts. Figura 2.2: Exemplo da largura de feixe de antena direcional. A razão entre a intensidade de radiação em uma dada direção da antena e a intensidade de radiação média de todas as outras direções é denominada diretividade [37]. 3 Adaptação de [47]. 4 Adaptação de [47]. 8

26 O ganho é a razão da intensidade de radiação em uma dada direção e a intensidade de radiação que deveria ser obtida se a potência aceita por uma antena fosse isotropicamente irradiada [47]. Nesse capítulo, são caracterizadas as antenas direcionais e os sistemas que empregam esse tipo de antena, utilizados em alguns dos algoritmos de roteamento que usam múltiplos caminhos deste trabalho. Em primeiro lugar, são apresentadas algumas características das antenas omnidirecionais. Aspectos da camada física, protocolos da camada de controle de acesso ao meio (MAC) e protocolos de roteamento que assumem o uso desse tipo de antena são abordados. 2.1 Antenas omnidirecionais Uma antena que tem um padrão de radiação essencialmente não direcional em um dado plano da antena e um padrão de radiação direcional em qualquer outro plano ortogonal é denominada antena omnidirecional [37]. A Figura ilustra o padrão de radiação desse tipo de antena. Nessa figura, a antena está posicionada no centro do padrão de radiação. Pode ser observado nessa figura que o padrão é não direcional no plano do azimutal e direcional no plano elevação. Equivocadamente, vários autores consideram que antena omnidirecional e antena isotrópica são sinônimos. Nesse Capítulo foram apresentadas definições e padrões de radiação, ilustrados nas Figuras 2.1 e 2.3, que confirmam que essas antenas são de tipos diferentes. Figura 2.3: Exemplo de padrão de radiação tridimensional de antena omnidirecional. 5 Reprodução de [49]. 9

27 Algumas características das antenas omnidirecionais foram descritas no Capítulo 1. Utilizando esse tipo de antena, o nó é capaz de transmitir e receber em 360 graus ao redor dele próprio, em qualquer outro plano ortogonal a um dado plano da antena cujo padrão de radiação seja não direcional. A Figura ilustra o padrão de radiação bidimensional de uma antena omnidirecional. Pode ser observado na Figura 2.4(b) que é circular a área ao redor do nó coberta pelo alcance de transmissão desse nó. Dessa maneira, todos os nós vizinhos a um par de nós que estão em comunicação, devem permanecer em silêncio enquanto a comunicação perdurar. Os nós vizinhos são aqueles que estão dentro do alcance de transmissão do par comunicante [7, 51]. (a) Plano elevação. (b) Plano azimutal. Figura 2.4: Exemplo de padrão de radiação bidimensional de antena omnidirecional Protocolos da camada de controle de acesso ao meio Em acréscimo ao mais utilizado protocolo IEEE [17], outros protocolos de controle de acesso ao meio para redes ad hoc utilizam antenas omnidirecionais. Dentre esses protocolos podemos citar os protocolos Multiple Access with Collision Avoidance (MACA) [52], MACA for Wireless LANs (MACAW) [53] e Floor Acquisition Multiple Access (FAMA) [54] que também utilizam um único canal para transmissão dos quadros de dados e de controle [7]. O MACA executa percepção virtual do meio através de procedimento de troca de pacotes de requisição para envio (Request To Send - RTS) e de 6 Reprodução de [50]. 10

28 livre para envio (Clear To Send - CTS), ao invés de executar percepção física de portadora. Uma estratégia de backoff exponencial binário é utilizada para solucionar colisões. O MACAW acrescenta o pacote de aviso de recebimento (Acknowledgment - ACK) no procedimento de troca de pacotes RTS-CTS do MACA, visando reconhecer mais rápido a perda de pacotes. Um esquema de backoff diferente é incluído para aumentar a justiça. Nesse novo esquema, de modo a reduzir a probabilidade de colisão e solucionar as colisões, caso elas ocorram, a transmissão do RTS é atrasada por um número aleatório de slots. Diferente do MACA, o FAMA utiliza tanto a percepção física como a percepção virtual do meio. O FAMA utiliza procedimento de troca de pacotes RTS-CTS e intervalos de tempo entre uma recepção e a próxima transmissão, para prevenir colisões no meio. Os protocolos Receiver-Initiated Busy-Tone Multiple Access (RI-BTMA) [55], Hop Reservation Multiple Access (HRMA) [56], Multi-Channel Carrier Sense Multiple Access (Multi-Channel CSMA) [57] e Dual Busy Tone Multiple Access (DBTMA) [58] são exemplos de protocolos que utilizam antenas omnidirecionais e múltiplos canais [7]. O RI-BTMA divide a largura de banda em dois canais. O canal de dados é utilizado para transmissão de dados e o canal de tom é utilizado para envio de pacotes de controle. Um pacote preâmbulo e um pacote tom de ocupado são utilizados para reserva do meio. O HRMA divide a largura de banda em vários canais e utiliza salto de freqüência para que um par de nós possa se comunicar sem interferência. Além do pacote de reserva de salto, são utilizados pacotes RTS e CTS. O Multi-Channel CSMA divide a largura de banda em vários canais não sobrepostos e seleciona aleatoriamente um canal livre. Um procedimento de detecção de canal livre e de reserva de canal livre é utilizado. O DBTMA divide a largura de banda em dois canais. Um sinal de tom de ocupado no transmissor é utilizado para proteger o RTS e um sinal de tom de ocupado no receptor protege os pacotes de dados Protocolos de roteamento A maioria dos protocolos de roteamento existentes para redes ad hoc assumem a utilização de antenas omnidirecionais por todos os nós. Os protocolos de roteamento baseados em topologia pode ser classificados em proativos ou reativos [7]. 11

29 O Destination-Sequenced Distance-Vector (DSDV) [59] e o Optimized Link State Routing (OLSR) [60, 61] são exemplos de protocolos proativos que utilizam antenas omnidirecionais. O DSDV é uma versão modificada do algoritmo Bellman-Ford para adequá-lo às redes ad hoc. A tabela de roteamento do DSDV é similar a do Bellman- Ford onde é inserido um número seqüencial na tabela de roteamento para evitar a criação de laços (loops). O OLSR é baseado em algoritmo de estado de enlace. Ele utiliza um mecanismo de descoberta de vizinhança baseado na troca periódica de pacotes de hello com seus vizinhos e um mecanismo eficiente de controle de inundação baseado em intermediários multipontos (multipoint relays - MPR). O Dynamic Source Routing (DSR) [62] e o Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) [63] são exemplos de protocolos reativos mais largamente utilizados que empregam antenas omnidirecionais [64]. O DSR utiliza algoritmo de roteamento pela fonte e somente realiza descoberta de rota quando necessário. O nó origem determina a rota completa até o destino. A lista dos nós componentes da rota é inserida no cabeçalho de cada pacote, visando identificar o nó vizinho do próximo salto. Na descoberta de rota são utilizados pacotes de requisição de rota (Route Request - RREQ) e de resposta de rota (Route Reply - RREP). Na manutenção da rota é utilizado um pacote de erro de rota (Route Error - RERR). O AODV é baseado no algoritmo Bellman-Ford. Como no DSR, o AODV somente realiza descoberta de rota quando necessário. Entretanto, diferentemente do DSR, o AODV utiliza tabela de roteamento. Números seqüenciais são utilizados para verificar se as informações armazenadas na tabela são novas e para evitar laços Produtos Atualmente, há diversas antenas omnidirecionais disponíveis no mercado para implementação de redes ad hoc sem fio. Essas antenas podem ser conectadas diretamente às estações ou ligadas às estações por meio de cabo e montadas em ambiente interno ou externo, como por exemplo teto de prédios. Há placas adaptadoras que contém antenas que são ligadas diretamente às estações. A Figura 2.5(a) 7 ilustra modelo dessa placa contendo antena omnidirecional. 7 Reprodução de [65]. 12

30 Antenas omnidirecionais são montadas também em adaptadores USB (Universal Serial Bus). É apresentado na Figura 2.5(b) 8 um modelo de adaptador USB contendo esse tipo de antena. (a) Placa adaptadora com antena omnidirecional. (b) Adaptador USB com antena omnidirecional. Figura 2.5: Exemplo de produtos que utilizam antena omnidirecional. 2.2 Antenas direcionais Antena direcional é aquela que tem a propriedade de irradiar ou receber ondas eletromagnéticas mais eficientemente em algumas direções que em outras [37]. A diretividade máxima dessa antena é significativamente maior do que a de uma antena dipolo de meia onda [41]. Foram descritas no Capítulo 1 algumas características das antenas direcionais. Figura ilustra o padrão de radiação real desse tipo de antena. Pode ser observado nessa figura que o padrão é direcional, com o lóbulo principal tendo maior intensidade. Há também lóbulos laterais e traseiros de menor intensidade. As Figuras 2.7(a) 10 e 2.7(b) 11 ilustram o padrão de radiação bidimensional de uma antena direcional comercializada atualmente. Pode ser observado em ambas as figuras que o lóbulo principal tem largura de feixe estreito e intensidade superior aos diversos lóbulos laterais e traseiros. A maioria do trabalhos que utilizam antenas direcionais em redes ad hoc sem fio não utiliza o padrão de radiação real das antenas. Modelos simplificados de radiação são 8 Reprodução de [66]. 9 Reprodução de [49]. 10 Reprodução de [50]. 11 Reprodução de [50]. A 13

31 Figura 2.6: Exemplo de padrão de radiação tridimensional de antena direcional. utilizados devido à dificuldade de modelar com precisão os complexos lóbulos principal, laterais e traseiros de uma antena real. Cone e Esfera [21] e Idealizado [67] são os modelos simplificados mais comuns de padrão de radiação de antenas direcionais utilizados em protocolos MAC [68]. No padrão de radiação Cone e Esfera, o lóbulo principal é um cone de ganho uniforme e o ganho dos lóbulos laterais e traseiros têm valor reduzido e são agregados em uma esfera com ganho constante, na base desse cone, conforme ilustrado na Figura Dentre os trabalhos que utilizam esse padrão podemos citar Ramanathan [21], Choudhury e Vaidya [69], Choudhuryet al. [70], Yi et al. [71], Choudhury e Vaidya [36], Choudhury e Vaidya [72] e Ramella [73]. (a) Plano azimutal. (b) Plano elevação. Figura 2.7: Exemplo de padrão de radiação bidimensional de antena direcional. O padrão de radiação Idealizado é o modelo de padrão de radiação mais simplificado 12 Adaptação de [21]. 14

32 Figura 2.8: Exemplo de padrão de radiação cone e esfera de antena direcional. e também o mais utilizado. Nesse modelo, todas as direções dentro da largura de feixe do lóbulo principal têm um ganho constante. Nenhuma potência é irradiada ou absorvida das outras direções, sendo desprezados os ganhos dos demais lóbulos [40, 67, 74], conforme ilustrado na Figura Exemplos de trabalhos que utilizam padrão de radiação Idealizado são Zander et al. [75], Nasipuri et al. [76], Nasipuri et al. [77], Huanget al. [78], Wieselthier et al. [67], Yi et al. [71], Korakis et al. [34], Kolar [51], Rocha [8], Carvalho e Garcia-Luna-Aceves [79] e Amorim e Rezende [80]. Figura 2.9: Exemplo de padrão de radiação idealizado de antena direcional. Quando um par de nós está em comunicação, somente os vizinhos cobertos pelos feixes direcionais desses nós devem permanecer em silêncio enquanto a comunicação perdurar. Na maioria dos casos, para uma mesma potência de transmissão, quanto mais diretiva for a antena, mais estreita será a largura do seu feixe e maior será o alcance obtido na transmissão [81]. Desse modo, nós que estiverem fora do alcance de um nó que transmita omnidirecionalmente, podem ser alcançados em um salto por um nó transmitindo direcionalmente [51]. Em redes ad hoc uma única antena com feixe estreito direcional não consegue cobrir os 360 graus ao redor do próprio nó, de modo que seja possível estabelecer comunicações 13 Adaptação de [8]. 15

33 em todas as direções do plano azimutal [82]. Desse modo, faz-se necessário o uso de sistema de antenas direcionais que permitam direcionar o feixe de transmissão conforme necessário [82] Sistemas de antenas direcionais Um sistema de antenas é uma combinação de uma antena ou grupo de antenas com elementos de circuito que são ativos, não lineares ou não recíprocos [37]. Os sistemas de antenas direcionais inteligentes são sistemas de antenas que utilizam antenas direcionais e normalmente são providos de um Processador Digital de Sinais (PDS), de modo que esses sistemas são capazes de direcionar um feixe de transmissão do sistema na direção do nó alvo [82, 83]. Os dois principais tipos de sistemas de antenas direcionais inteligentes, ou simplesmente sistema de antenas, são o feixe comutado (Switched Beam Antenna System - SB) e o feixe direcionado (Steerable Beam Antenna System - FD) [84]. Alguns autores [25, 48, 82, 83, 85] preferem denominar os sistemas de antenas de feixe direcionado como sistemas de antenas ou antenas Arranjo Adaptativo. Neste trabalho a segunda denominação é julgada imprecisa, sendo preferida a primeira classificação Sistemas de antenas direcionais de feixe comutado Um sistema Switched Beam (SB), ou de feixe comutado, é um sistema de antenas que é capaz de comutar eletronicamente a direção do feixe que está transmitindo, dentre um conjunto finito de feixes [20]. Um sistema SB é composto por um conjunto finito de n f feixes direcionais, onde cada feixe é apontado para uma direção fixa [86]. Cada um desses feixes ilumina um setor de largura de feixe 2π/n f radianos [87]. O formato do feixe depende do modelo de padrão de radiação. Ramanathan [21], Choudhury e Vaidya [69], Choudhury e Vaidya [72], Ramella [73] e Choudhury e Vaidya [36] são exemplos de trabalhos que utilizam padrão de radiação Cone e Esfera em sistemas SB. Nasipuri et al. [76], Nasipuri et al. [77] e Korakis et al. [34] são exemplos de trabalhos que utilizam padrão de radiação Idealizado com setor cônico. Dentre os trabalhos que utilizam padrão de radiação Idealizado com setor circular podemos citar Huang e Shen [33], 16

34 Rocha et al. [88], Huang et al. [78], Amorim e Rezende [80], Carvalho e Garcia-Luna- Aceves [79] e Rocha [8]. O sistema de antenas direcionais de feixe comutado (SB) ilumina os 360 graus equivalentes a uma antena omnidirecional, cobrindo o plano azimutal por inteiro [36], conforme ilustra a Figura para um sistema com 16 feixes. Figura 2.10: Exemplo de sistema de antenas direcionais de feixe comutado realístico. Esse sistema detecta os sinais, escolhe o feixe onde a potência do sinal recebido é maior e migra eletronicamente para esse feixe [25]. A Figura 2.11(a) 15 ilustra a seleção do padrão de radiação de um feixe predeterminado desse tipo de sistema. É observado que o centro do feixe não está apontado para o centro da direção de chegada (Direction of Arrival - DoA) do sinal recebido do nó alvo e as interferências não são anuladas. Em cada instante somente um feixe é empregado para transmissão e recepção [85]. O sistema de antenas direcionais de feixe comutado (SB) não é capaz de anular as interferências e os efeitos do multipercurso. Embora não rastreie continuamente o nó em movimento, esse sistema é mais barato e mais simples que o sistema de antena direcional de feixe direcionado (FD) [9]. 14 Adaptação de [51, 83, 89]. 15 Adaptação de [25, 48, 83]. 17

35 Sistemas de antena direcional de feixe direcionado As Definições Padrões IEEE de Termos para Antenas [37] definem sistema de feixe direcionado (FD), ou Steerable Beam, como uma antena com uma abertura sem movimento para a qual a direção do lóbulo principal pode ser mudada eletronicamente, alterando a excitação da abertura, ou mecanicamente, movendo um alimentador da antena. Esse lóbulo principal (feixe) pode ser direcionado para qualquer direção [20]. Geralmente, este direcionamento é realizado por meio de técnicas que utilizam a direção de chegada do sinal recebido do nó alvo [25]. O sistema FD tem custo maior e é mais complexo que o sistema de antenas direcionais de feixe comutado (SB) [21]. Os tipos de sistemas de antena direcional de feixe direcionado são classificados por Ramanathan [21] em Arranjo Faseado Dinâmico (Dynamic Phased Array - DPA) e Arranjo Adaptativo (Adaptive Array - AA). No sistema DPA os ganhos do sinal recebido do nó alvo são maximizados, entretanto, as interferências não são anuladas [21]. Figura 2.11(b) 16 ilustra a seleção do padrão de radiação desse tipo de sistema. É observado que o centro do feixe está apontado para o centro da DoA do sinal recebido do nó alvo, mas os sinais interferentes não são anulados. Um sistema de Antena Adaptativo é definido como um sistema de antena tendo elementos de circuito associados com seus elementos irradiadores de modo que uma ou mais das propriedades da antena são controladas pelo sinal recebido [37]. No sistema AA o padrão de radiação pode ser modificado para se ajustar ao ruído, à interferência e ao multipercurso [9]. O ganho na direção do alvo pode ser maximizado, melhorando o sinal recebido e transmitido, e a interferência pode ser reduzida ou anulada, ao produzir nulos na direção das fontes interferentes [48]. O padrão de radiação também pode ser ajustado para continuamente rastrear o nó alvo [20]. A Figura 2.11(c) 17 ilustra a seleção do padrão de radiação desse tipo de sistema. É observado que o centro do feixe está apontado para o centro da DoA do sinal recebido do nó alvo e os lóbulos laterais são modificados para reduzir ou anular os sinais interferentes. Dentre os vários trabalhos de pesquisa que utilizam sistema de antena direcional de feixe direcionado (FD) podemos citar Takai et al. [74], 16 Adaptação de [25, 48, 83]. 17 Adaptação de [25, 48, 83]. A 18

36 Ramella [82], Choudhury et al. [32], Ramanathan et al. [20] e Choudhury [89]. (a) Feixe comutado. (b) Arranjo Faseado Dinâmico. (c) Arranjo Adaptativo. Figura 2.11: Exemplo de mudança de direção do feixe por tipo de sistema de antena direcional. 19

37 2.2.2 Vantagens da utilização de antenas direcionais Vários benefícios são advindos do uso de sistemas de antenas direcionais em redes ad hoc devido às características das antenas direcionais descritas no Capítulo 1 e nesse capítulo. O principal benefício é o aumento do reuso espacial, permitindo assim um aumento na quantidade de comunicações simultâneas em uma mesma área e um aumento da capacidade agregada da rede. A Figura 2.12(a) 18 apresenta uma rede ad hoc onde todos os nós utilizam antenas omnidirecionais. Necessitando A se comunicar com B e C com D, estas comunicações não podem ser simultâneas devido a C ser vizinho na área circular de A. Logo, quando A estiver transmitindo para B, C estará recebendo a transmissão e permanecerá impossibilitado de se comunicar com D. Entretanto, se todos os nós utilizarem antenas direcionais, como ilustrado na Figura 2.12(b) 19 para um sistema de antenas direcionais de feixe comutado com 16 feixes, os pares comunicantes A B e C D podem se comunicar ao mesmo tempo, pois os feixes direcionais de um par não interferem na comunicação do outro par. Nesse exemplo, A utiliza o feixe 4 e B o seu feixe 12 para se comunicarem, enquanto C utiliza seu feixe 1 e D o seu feixe 9. Convém observar que a comunicação de um par de nós não interfere na comunicação do outro par, permitindo as comunicações simultâneas e aumentando a capacidade agregada da rede. (a) Comunicação alternada com antena omnidirecional. (b) Comunicações simultâneas com antenas direcionais. Figura 2.12: Exemplo de reuso espacial. Outra grande benefício é o aumento do alcance de transmissão de um nó que utiliza 18 Adaptação de [8]. 19 Adaptação de [8]. 20

38 sistema de antenas direcionais, ao se comparar com um nó que utiliza a mesma potência irradiada por meio de uma antena omnidirecional. Com o aumento do alcance, nós mais distantes podem ser alcançados em um único salto, permitindo a diminuição da quantidade de saltos em rotas de múltiplos saltos. A Figura 2.13(a) 20 apresenta uma rede ad hoc onde o nó A necessita se comunicar com o nó D. Se todos os nós utilizam antenas omnidirecionais, a rota A B C D terá 3 saltos. Caso seja utilizado sistema de antena direcional, a rota será A D, sem nós intermediários, devido ao maior alcance do feixe direcional, conforme ilustrado na Figura 2.13(b) 21. (a) Comunicação múltiplos saltos com antena omnidirecional. (b) Comunicação direta com antenas direcionais. Figura 2.13: Exemplo de aumento do alcance de transmissão. A redução no consumo de energia é outro benefício que pode ocorrer se houver um adequado controle de potência da transmissão [8], devido ao nó transmissor poder controlar a potência emitida em cada direção e utilizar diferentes níveis de potência para atingir nós alvos que estejam em diferentes alcances de transmissão Desafios na utilização de antenas direcionais Apesar das grandes vantagens da utilização de sistemas de antenas direcionais em redes ad hoc, existem desafios para utilizar essas vantagens visando melhorar o desempenho de redes ad hoc sem fio. Um desses desafios é a necessidade do nó saber a localização dos seus vizinhos e a direção do feixe [32, 51]. Ao se utilizar uma antena omnidirecional, são vizinhos de um 20 Adaptação de [8]. 21 Adaptação de [8]. 21